毫歐姆電阻在汽車(chē)電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　對(duì)于電流檢測(cè)，過(guò)去的二十年間兩種不同原理的檢測(cè)方法占據(jù)著這個(gè)市場(chǎng)，基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法和基于分流器的檢測(cè)方法。基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法(以電流互感器和霍爾傳感器為代表)具有良好的隔離和較低的功率損耗等優(yōu)點(diǎn)，因此主要在驅(qū)動(dòng)技術(shù)和大電流領(lǐng)域被電子工程師們選用，但它的缺點(diǎn)是體積較大，補(bǔ)償特性、線性以及溫度特性不理想。

　　在過(guò)去的幾年間，由于小體積的高精度低阻值電阻器的實(shí)用化，以及數(shù)據(jù)采集和處理器性能的大幅度提升，已經(jīng)導(dǎo)致傳統(tǒng)的基于分流器的電流檢測(cè)方法的技術(shù)革新，并使新的應(yīng)用成為可能，這在十年前，是無(wú)法想象的。

　　車(chē)身電子控制系統(tǒng)的工作電流大多在1-100A之間，在特殊情況下(例如氧傳感器加熱)，會(huì)有短時(shí)間200-300A的電流，車(chē)輛的啟動(dòng)電流甚至高達(dá)1500A。在電池和電源管理系統(tǒng)中，還有更極端的情況，車(chē)輛運(yùn)行時(shí)持續(xù)電流為100-300A，而在靜止?fàn)顟B(tài)，電流只有幾毫安，這也需要被精確檢測(cè)出來(lái)。

　　　　表1 實(shí)際的電阻性能或多或少都和它的基礎(chǔ)材料以及生產(chǎn)制程有關(guān)

基本原理

　　根據(jù)歐姆定律，當(dāng)被測(cè)電流流過(guò)電阻時(shí)，電阻兩端的電壓與電流成正比。當(dāng)1W的電阻通過(guò)的電流為幾百毫安時(shí)，這種設(shè)計(jì)是沒(méi)有問(wèn)題的。然而如果電流達(dá)到10-20A，情況就完全不同，因?yàn)樵陔娮枭蠐p耗的功率(P=I2xR)就不容忽視了。我們可以通過(guò)降低電阻阻值來(lái)降低功率損耗，但電阻兩端的電壓也會(huì)相應(yīng)降低，所以基于取樣分辨率的考慮，電阻的阻值也不允許太低。
通常，下面的公式適用于計(jì)算電阻兩端的電壓：

　　U=RxI+Uth+Uind +Uiext+......

　　其中Uth是熱電動(dòng)勢(shì)，Uind 是感應(yīng)電壓，Uiext是PCB引線上微小電流引起的壓降。

　　其中與電流無(wú)關(guān)的因素而導(dǎo)致的誤差電壓能夠直接影響到測(cè)量的精度，因此設(shè)計(jì)者應(yīng)該了解這些因素并通過(guò)精心的電路板布局，尤其是選擇合適的元件來(lái)降低相關(guān)的影響。

　　很多種導(dǎo)電材料可以用來(lái)制造電阻，但是這樣的元件并不太適合做電流取樣。因?yàn)殡娮枳柚蹬c溫度，時(shí)間，電壓和頻率等參數(shù)有關(guān)，R=R (T，t，P，Hz，U，A，m，p，...)。


　　理想的電流檢測(cè)電阻應(yīng)該完全與這些參數(shù)無(wú)關(guān)，當(dāng)然這樣的電阻是不存在的。實(shí)際的電阻特性見(jiàn)表1，包括溫度系數(shù)TCR，長(zhǎng)期穩(wěn)定性，熱電動(dòng)勢(shì)，負(fù)載能力，電感和線性度，其中的部分特性由材料本身決定；部分特性由元件設(shè)計(jì)決定，還有一些參數(shù)決定于生產(chǎn)制程。

　　早在1889年，德國(guó)Isabellenhuette公司發(fā)明了精密電阻合金錳鎳銅(Manganin)，其優(yōu)良的特性奠定了精密測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)，后來(lái)該公司又發(fā)明了Isaohm 和 Zeranin，它們的電阻系數(shù)分別達(dá)到132mW xcm和29mW xcm，使電阻合金的家族更加完善，所有這些合金都極大地滿(mǎn)足了全球?qū)﹄娮璨牧系男枨蟛⑶议L(zhǎng)期被精密電阻廠商成功應(yīng)用。?

　　過(guò)去25年，為了應(yīng)對(duì)基于磁場(chǎng)的電流檢測(cè)方法的發(fā)展，Isabellenhuette公司致力于通過(guò)對(duì)分流器電阻進(jìn)行物理優(yōu)化進(jìn)而擴(kuò)展分流器的電流檢測(cè)的量程。與此同時(shí)，半導(dǎo)體公司已經(jīng)改進(jìn)了運(yùn)算放大器的諸多特性比如漂移，溫度系數(shù)和噪聲，這促使電子工程師可以在設(shè)計(jì)中選用毫歐級(jí)阻值的分流電阻，解決了大電流條件下的高功率損耗問(wèn)題。但隨之而來(lái)的代價(jià)是因?yàn)楦蓴_和熱電效應(yīng)等因素而引起的相關(guān)誤差也大大增加，因此降低寄生電感和抑制熱電動(dòng)勢(shì)就顯得特別重要。

溫度系數(shù)

　　圖1 是錳鎳銅合金電阻的典型溫度特性曲線，溫度系數(shù)TCR單位為ppm/K，在20或25℃ 時(shí)，TCR=［R(T)-R(T0)］/R(T0) ×(T-T0)，對(duì)于溫度系數(shù)的定義，制造商標(biāo)明溫度的上限是必要的，舉例說(shuō)明在+20 -+60℃的溫度范圍內(nèi)，測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)常選用TCR為幾百個(gè)ppm/K 的低阻值的厚膜電阻器，圖1中紅色曲線表示TCR 為200 ppm/K的電阻器的溫度特性，即使在如此小的范圍內(nèi)，+50℃的溫度變化就足以導(dǎo)致阻值變化超過(guò)1%，這樣的電阻是不能用于精確電流測(cè)量的，有些測(cè)量設(shè)備制造商甚至使用PCB走線的銅膜作為電流取樣電阻，銅的TCR是4000 ppm/K(or 0.4%/K)，2.5℃的溫度變化就足以造成1%的誤差。

　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　圖1? 錳鎳銅合金電阻的典型溫度特性曲線

熱電動(dòng)勢(shì)

　　當(dāng)溫度輕微升高或者降低時(shí)，在不同材料的接觸面上會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種效應(yīng)對(duì)低阻值電阻的影響非常重要，盡管通常情況下熱電勢(shì)數(shù)值非常小，但微伏級(jí)的熱電勢(shì)能夠嚴(yán)重地影響測(cè)量結(jié)果。

　　直到今天，電阻合金康銅依舊是繞線和沖壓分流器(在片狀材料上進(jìn)行模壓)的主要材料，盡管它有良好的TCR，但其對(duì)銅的熱電勢(shì)高達(dá)40mV/K。例如，使用1毫歐的分流電阻檢測(cè)4A電流，10℃的溫差就能產(chǎn)生400mV的電壓差，相當(dāng)于測(cè)量結(jié)果誤差增大了10%。更嚴(yán)重的情況是，假如考慮到電阻尺寸，經(jīng)常被忽略的珀?duì)柼?yīng)(Peltier effect)可以通過(guò)接觸面之間的相互加熱或降溫作用，將溫差增大到20℃以上(非常極端的例子是焊接部位熔化)。即使被測(cè)電路工作在恒定電流狀態(tài)下，由于珀?duì)柼?yīng)(Peltier effect)而產(chǎn)生的溫差也會(huì)導(dǎo)致有電壓存在，顯示電流是不恒定的。關(guān)斷電流之后，在溫差消失之前，測(cè)量結(jié)果會(huì)顯示有明顯的電流存在，根據(jù)設(shè)計(jì)和阻值的不同，電流誤差能有幾個(gè)百分點(diǎn)或達(dá)到幾個(gè)安培。而前面提到的精密電阻合金的熱電特性和銅非常接近，金屬和金屬的接觸面不會(huì)產(chǎn)生熱電壓，設(shè)計(jì)者甚至可以忽略珀?duì)柼?yīng)(Peltier effect)。比如使用一只0.3mW的電阻，產(chǎn)生的熱電壓小于1mV，在關(guān)掉100A電流的時(shí)侯，熱電勢(shì)產(chǎn)生的電流小于3mA。